季　杰　韓　峻

(1.海軍工程大學(xué)　武漢　430033)(2.92721部隊　舟山　316000)

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基于艦炮供彈系統(tǒng)控制時序的電氣化控制方案探究*

季杰1,2韓峻1

(1.海軍工程大學(xué)武漢430033)(2.92721部隊舟山316000)

論文基于艦炮供彈系統(tǒng)的控制時序，提出了一種用電信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械化傳動控制方式的電氣化供彈方案，并設(shè)計了一套電氣化供彈模擬器，運用C8051F020單片機控制LED燈對艦炮供彈系統(tǒng)進行了彈位運動模擬，加入時序控制和供彈結(jié)構(gòu)邏輯控制模擬，實現(xiàn)了對整個供彈程序進行檢測、判斷、控制和人機交互等功能。

供彈系統(tǒng); 時序控制; 模擬器; 電氣化控制

Class NumberTH12

1　引言

艦炮是艦艇最基本的武器之一，而供彈系統(tǒng)作為艦炮武器的重要組成部分，其可靠性、擴展性和先進性對整個艦炮的性能有著至關(guān)重要的影響[1]。目前國內(nèi)在役的大、中口徑艦炮供彈率較低，持續(xù)打擊能力較差，導(dǎo)致艦炮的作戰(zhàn)威力大打折扣，為此，建立一個自動化程度高、性能可靠的艦炮供彈系統(tǒng)具有重要意義[2]。本文基于供彈系統(tǒng)時序關(guān)系，嘗試用電信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械化傳動控制方式，為艦炮的電氣化控制做了初步探究。

2　供彈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及時序分析

2.1供彈系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

艦炮供彈系統(tǒng)負責(zé)把彈藥從底層艙室運送至炮塔處，主要包括存儲單元、轉(zhuǎn)運單元、提升單元和控制單元。存儲單元負責(zé)炮彈的存儲，轉(zhuǎn)運單元負責(zé)炮彈的水平轉(zhuǎn)移，提升單元負責(zé)炮彈豎直方向的運動，控制單元負責(zé)控制各個動作的順序，使之能互相協(xié)調(diào)[3～4]。供彈系統(tǒng)先進與否對艦炮威力大小至關(guān)重要，AK-176是俄羅斯一款設(shè)計較為先進的艦炮[5]，本文以此為研究對象，其采用左右交替供彈，因而供彈系統(tǒng)分為左、右兩個結(jié)構(gòu)相同部分，這兩部分通過機械傳動鏈接起來，并從減速箱獲得動力。供彈系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2供彈系統(tǒng)時序分析

傳統(tǒng)的機械化供彈是一個由各結(jié)構(gòu)部件通過機械嚙合進行的復(fù)雜聯(lián)動過程，既有傳動的銜接，也有時序的重疊，其機構(gòu)聯(lián)動過程[6～7]如下(以左側(cè)供彈過程為例)：

圖1　俄羅斯AK-176毫米艦炮供彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

初始狀態(tài)，輸彈槽、接彈裝置和揚彈機口處各有一發(fā)彈，左右壓彈機在初始位，炮門打開，供彈電機啟動，供彈減速箱脫開，揚彈機轉(zhuǎn)換手柄在結(jié)合位。

接到擊發(fā)指令后，帶彈的輸彈槽下降輸彈入膛關(guān)門擊發(fā)，擊發(fā)后火炮后坐，撥動左壓彈機，后坐位移大于340mm時壓彈機撥動結(jié)束，開始壓彈，當(dāng)壓彈機返回初始位時壓彈機撥桿與搖架上的杠桿相作用，通過桿系把運動傳到供彈結(jié)合結(jié)構(gòu)，使左供彈減速箱結(jié)合，左側(cè)供彈系統(tǒng)開始工作。并在同一供彈周期內(nèi)完成下列動作：左擺臂抬起把左接彈裝置內(nèi)的彈送到左裝填機構(gòu)末端位；左揚彈機把其入口處的炮彈提升到接彈裝置內(nèi)；彈鏈開始運動并把彈送到推彈位；當(dāng)彈鏈停止運動后，推彈器把推彈位的這發(fā)彈推入揚彈機內(nèi)，推彈器在彈簧的作用下返回；當(dāng)擺臂降下時抓住揚彈機新提升進來的炮彈；當(dāng)供彈循環(huán)完成后借助供彈脫開機構(gòu)使供彈減速箱脫開，左側(cè)供彈系統(tǒng)停止運動。

根據(jù)同一供彈周期內(nèi)完成的動作，補供彈任務(wù)可分解為以下五段子系統(tǒng)[8]：首先考慮炮彈在彈鏈中的運動，時間為T1；再考慮推彈過程，時間為T2，設(shè)推彈的推出和復(fù)位時間相同，分別為t21和t22，則有T2=t21+t22；接下來是揚彈過程，時間T3；然后是擺彈過程，由于射角不同，以擺彈的兩個極限角度分別研究，射角范圍-15°～+85°，由擺角β與射角φ關(guān)系β=97°-φ可知，擺角的兩個極限角度為112°和12°，但擺臂的角度及所用時間差異較小，這里不做深入分析，設(shè)擺動到壓彈口t41和擺回到接彈裝置t42，整個擺彈時間為T4，則有T4=t41+t42；最后是壓彈過程，時間為T5。

查閱全炮循環(huán)圖數(shù)據(jù)可知：T1=0.74s，T2=0.16s，T3=0.65s，T4=0.71s，T5=0.15s，整個供彈周期為0.96s。為了便于觀察和描述，把時間軸換算成角度軸，一個供彈周期相當(dāng)于角度盤一周360°，則1°=0.96/360=0.002667s，通過換算可以得到T1=277°，T2=60°，T3=243°，T4=266.3°，T5=56.2°。設(shè)模擬時長為720°，可得到供彈時序角度盤轉(zhuǎn)動圖如圖2所示。

圖2　供彈時序角度盤轉(zhuǎn)動圖

3　供彈系統(tǒng)電氣化控制方案

3.1基于供彈時序的電氣化控制思路

傳統(tǒng)的機械化控制以減速箱為唯一動力源，供彈過程中通過復(fù)雜的機械嚙合將動力傳輸至各裝置，同時實現(xiàn)各部件的聯(lián)動。電氣化控制將電信號代替機械傳動，主要部件(轉(zhuǎn)彈、推彈、揚彈、擺彈、壓彈)配置獨立電機實現(xiàn)動力源分散，系統(tǒng)根據(jù)供彈時序分別對各動力源進行邏輯控制，從而實現(xiàn)各相對獨立的子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)運作。

3.2電氣化控制的主要優(yōu)勢

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占用面積少

電氣化控制的最大特點是將供彈系統(tǒng)的各部件從復(fù)雜的機械傳動結(jié)構(gòu)中解脫出來，實現(xiàn)硬件層面的相對獨立，由系統(tǒng)統(tǒng)一根據(jù)時序發(fā)出的電信號進行配合工作。用電纜代替機械傳動部件，可以將艦炮的總體布局設(shè)計得更為緊湊，占用面積減少。

2)容易定位故障，維修快速便捷

機械化供彈的硬件是一個整體結(jié)構(gòu)，牽一發(fā)而動全身，任何一個細小環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都將導(dǎo)致整個供彈系統(tǒng)的癱瘓，而且排除故障較為麻煩，只能根據(jù)故障現(xiàn)象進行逐段排查，機械的復(fù)雜嚙合也為維修帶來了很大困難。電氣化供彈通過電信號將各硬件進行整合，供彈過程中如果出現(xiàn)故障，根據(jù)各子系統(tǒng)反饋的電信號將可以快速定位故障位置，同時高度模塊化的設(shè)計可以實現(xiàn)故障部件的快速更換，維修難度與維修時間大為改善。

3)設(shè)置聯(lián)鎖裝置，性能安全可靠

為了防止在艦炮工作期間出現(xiàn)意外而致使火炮和炮彈受損，艦炮供彈系統(tǒng)設(shè)有聯(lián)鎖裝置。以AK-176毫米艦炮為例，其每一路供彈系統(tǒng)都有5個機電聯(lián)鎖和1個機械聯(lián)鎖，以保證出現(xiàn)故障時斷開相應(yīng)一側(cè)的供彈減速箱。電氣化供彈方式下，可將聯(lián)鎖信號與控制時序進行緊密結(jié)合，當(dāng)出現(xiàn)聯(lián)鎖信號與時序不匹配時立即切斷電源進行自我保護，電信號傳輸?shù)目焖傩钥梢员ＷC在出現(xiàn)故障時系統(tǒng)識別快、應(yīng)對快，對艦炮的損失降到最低。

4)自動化程序高，供彈效率提升

電氣化控制使得供彈系統(tǒng)更為自動化，機械傳動結(jié)構(gòu)的有效減少使得各機構(gòu)運作效率得到提升，能很好地彌補目前我國大、中口徑艦炮存在的供彈率較低這一短板。

4　電氣化供彈系統(tǒng)模擬器設(shè)計

4.1模擬器設(shè)計的目的及意義

系統(tǒng)基于供彈時序關(guān)系，采用C8051F020單片機控制LED燈對艦炮供彈系統(tǒng)進行彈位運動模擬[9]。模擬器與艦炮實物具有相同的原理，一方面能直觀地展示供彈系統(tǒng)中彈位的運動變化狀態(tài)，為學(xué)員平時的訓(xùn)練和維修提供了一個技術(shù)平臺；另一方面也是對我國艦炮供彈系統(tǒng)由機械化控制轉(zhuǎn)向電氣化控制作出的技術(shù)性嘗試，具有重要意義。

4.2硬件設(shè)計

為了真實還原炮彈在艦炮供彈系統(tǒng)中的運動路徑，系統(tǒng)采用了六塊電路板分別模擬左右彈鏈平臺(×2)、左右揚彈擺彈機構(gòu)(×2)、裝填機構(gòu)以及總體控制部分，每部分獨立供電。系統(tǒng)核心部件由單片機控制芯片C8051F020、時鐘電路、電源模塊、ULN2003驅(qū)動電路以及LED顯示板等組成。硬件整體工作流程：C8051F020根據(jù)供彈時序關(guān)系，結(jié)合定時器產(chǎn)生的脈沖次數(shù)，通過驅(qū)動電路實現(xiàn)對LED顯示板的控制。

LED的設(shè)置直接影響到模擬效果，AK-176毫米艦炮彈鏈平臺有75個彈位，為了更好地顯示炮彈的步進過程，在每個彈位之間加了一個過渡彈位，同時模擬推彈過程設(shè)置10個LED燈，因此彈鏈平臺總共有160個燈，所以選用兩片8×10 LED顯示板；揚彈過程是一個連續(xù)的過程，模擬用16個LED燈來實現(xiàn)，擺彈過程受不同擺動角度的影響，為了模擬效果，只考慮在平射狀態(tài)下擺動90°用了16個LED燈來顯示，因此揚彈擺彈模塊選用一片4×8 LED顯示板；裝填過程同樣加入過渡彈位，左右分別用了8個LED燈顯示，每進行一次發(fā)射就進行一次壓彈，相應(yīng)的炮彈往前步進一個彈位，發(fā)射過程用也用了8個LED燈顯示，故裝填機構(gòu)模塊選用了一片3×8 LED顯示板。模擬器的硬件結(jié)構(gòu)及實物圖如圖3、4所示。

圖3　模擬器硬件結(jié)構(gòu)

圖4　模擬器實物

4.3軟件設(shè)計

設(shè)計采用中斷思路，設(shè)定定時器周期性地產(chǎn)生中斷，以2.6ms為一個時鐘脈沖周期(即時鐘脈沖頻率f=384.6Hz)，計360個時鐘脈沖正好作為一個供彈周期，相當(dāng)于角度盤的360°供彈周期，相應(yīng)的T1～T5角度值則轉(zhuǎn)化為供彈各子系統(tǒng)所需接收的時鐘脈沖數(shù)，例如炮彈在彈鏈中的運動時間T1=277°，表示彈位步進一次需接收277個時鐘脈沖。

LED采用動態(tài)掃描方式[10]，設(shè)立兩個數(shù)組：顯示緩存區(qū)Dp[i]和彈位寄存器Rd[i]。每個指示燈狀態(tài)對應(yīng)一個顯示緩存區(qū)中的一個狀態(tài)位，而顯示緩存區(qū)為8位寄存器相當(dāng)于一個字節(jié)，控制8個LED燈。邏輯程序及時序控制實現(xiàn)對邏輯數(shù)組的彈位寄存器內(nèi)相應(yīng)數(shù)值的變化，進而一一對應(yīng)顯示緩存區(qū)的改變，實時反映在每個指示燈的亮暗變化上，從而模擬真實彈位的變化。圖5為彈位寄存器Rd[i]左移一位實現(xiàn)相應(yīng)LED動態(tài)變化的圖5。

程序運行流程：當(dāng)系統(tǒng)接收到連桿信號后，啟動定時器，中斷服務(wù)程序中開始記錄時鐘脈沖數(shù)，當(dāng)達到相應(yīng)脈沖數(shù)時(程序根據(jù)圖2時序關(guān)系提前預(yù)設(shè)各子系統(tǒng)進行彈位變化所對應(yīng)的脈沖數(shù))，程序即對相應(yīng)子系統(tǒng)的彈位寄存器Rd[i]進行移位操作，從而實現(xiàn)對應(yīng)LED的動態(tài)變化，直至360個時鐘脈沖，即一個供彈周期結(jié)束，系統(tǒng)關(guān)閉定時器等待下一個連桿信號。圖6為中斷程序流程圖。

圖5　LED模擬彈位步進程序設(shè)計

圖6　中斷程序流程圖

5　結(jié)語

本文以俄羅斯AK-176毫米艦炮為分析對象，對其供彈系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)及控制時序進行分析，同時提出了一種基于供彈時序關(guān)系，采用電信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械化傳動控制方式的電氣化供彈方案，并設(shè)計了一套電氣化供彈模擬器，模擬器直觀展示了供彈系統(tǒng)中彈位的運動變化狀態(tài)，模擬結(jié)果有效驗證了供彈系統(tǒng)電氣化控制的可行性。

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Electric Control Scheme Based on Naval Gun Cannonball Supply System Control Sequence

JI Jie1,2HAN Jun1

(1.Naval University of Engineering, Wuhan430033)(2. No. 92721 Troops of PLA, Zhoushan316000)

This paper uses electric single instead of traditional mechanically transmission, proposes a theory of electric control of naval gun cannonball supply system based on sequential control. By the way, an electric cannonball supply simulator is designed, which used the C8051F020 microcontroller to control the LED to carry out a sport simulation of the naval gun cannonball supply system, joining the sequential control and logic control for structure simulation to realize the cannonball supply system of the whole process monitoring, judgment, control and man-machine exchange function.

cannonball supply system, sequential control, simulator, electric control

2016年4月8日,

2016年5月28日

季杰,男,碩士研究生,研究方向：武器系統(tǒng)運用與保障工程。韓峻,男,碩士生導(dǎo)師,研究方向：兵器測試技術(shù)。

TH12

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.040